基于平面波导传感器的强约束型微纳光子结构成像教学系统

刘冬冬 王继成

摘要：为解决基于电学图像传感器的成像教学系统数据信号传输速率较低，影响成像速度的问题，设计基于平面波导传感器的强约束型微纳光子结构成像教学系统。通过光学镜头和平面波导传感器采集、转换光信号，平面波导传感器采用衰逝波实现光纤传感，提升数据传输速度。将数据流传输到FPGA开发平台中实施转换。经过实验分析发现，该系统图像分辨率和图像清晰度平均值分别是251.80 PPI和99.81%，最长成像时间为5.92 ms，均显著优于对比系统，说明该系统成像清晰度高、抗干扰性能优。

关键词：强约束型;成像教学系统;光信号采集;平面波导传感器;系统设计;实验分析

中圖分类号：TN212-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X（ 2019） 24-0063 -04

0 引言

当前深化教育改革、推进素质教育的有效手段是信息化建设，长期保存和检索资料的有效手段是数字化图像[1]。当前人们对教学系统的要求越来越高，学校教学环节的难点主要是数字化成像，教育技术领域的研究重点是如何设计成像效果高、具有个性化教学特点的教学系统[2]。目前数据信号传输的新生力量是光学传感器，该传感器根据光对介质折射率的反应获取数据信号。光学传感器具有较强的抗电磁干扰能力，传输数据信号精度高容量大[3]，在光学传感器中当前使用较多的是平面波导传感器。平面波导传感器灵敏度较高、便于集成，且在光波导中可实现纳米尺度下对光能的强约束，提升传感器的抗干扰能力。

在集成光学中，将光波导作为基础约束光能，该传感器相当于一个集成模块，在传感器中可实现获取和预处理数据信号[4]。因此设计基于平面波导传感器的强约束型微纳光子结构成像教学系统，以期实现高质量的教学。

1 成像教学系统设计

1.1 成像教学系统总体设计

依照功能划分总体成像教学系统，主要单元有数据传输单元、成像单元、驱动控制单元等[5]。基于平面波导传感器的强约束型微纳光子结构成像教学系统总体结构图如图1所示。

从图1中看出，成像单元主要由光学镜头和平面波导传感器构成，成像单元可实现光电间的转换、处理和输出电信号[6-7]。驱动控制单元就是驱动时序产生单元，主要任务是控制传感器复位和积分时间，生成时序指令。数据处理单元中涵盖多个功能模块，包括顺序调整、串并转换等模块，通过数据处理单元将乱序数据变得有序。数据传输单元主要由两部分构成，在该单元中根据既定的传输协议将有序的数据发送出去，达到实时传输数据的目的。通过FPGA开发平台设计数据处理单元和数据传输单元等多个单元，通过RS 422接口和异步串行单元，实现计算机和FPGA开发平台之间的通信。

1.2 平面波导传感器

在成像教学系统中最重要的是平面波导传感器，该传感器采用衰逝波实现光纤传感，提升数据传输速度，其中衰逝波是由光纤和平面波导界面表现出来的[8-9]。其特性是当衰逝波透出波导表面，接收到传输信号后，会返回到波导中。平面波导传感器基本原理如2所示。

在成像教学系统中，需采用灵敏度较高的平面波导传感器，因此本文采用衰减全反射的平面波导传感器，该传感器结构图如图3所示。

通过比尔定律获取平面波导传感器出射光强Gc和入射光强Gr之间关系，如下：

Gc=Grexp（-deM）式中：d表示敏感膜吸收系数;e表示敏感膜厚度;M表示在敏感膜界面和导光层之间光波全反射次数。在敏感膜上的吸附物会导致膜厚度发生改变，从而改变射出的光强[10]。

2 实验分析

2.1 分析成像清晰度

为研究本文系统的成像清晰度，需对比本文系统、基于网络化环境的成像教学系统、基于Web的成像教学系统的成像时间，为确保实验分析的精准性，需进行多次实验。将实验次数定为10次，选取10次实验的平均值，以期提升实验的精准度，三个系统成像清晰度分别如表1～表3所示。

从表1可得，在10次实验中，本文系统成像的图像分辨率平均值为251.80 PPI，图像清晰度的平均值为99.81%。从表2中可得，基于网络化环境的成像教学系统图像分辨率和图像清晰度平均值分别是170.60 PPI和86.29%，对比本文系统和基于网络化环境的成像教学系统发现，本文系统成像的清晰度和分辨率更高。从表3中可看出，基于Web的成像教学系统图像分辨率和图像清晰度平均值分别是95.60 PPI和67.18%，即本文系统成像分辨率和清晰度显著高于基于Web的成像教学系统。综上所述，本文系统成像的清晰度最高，成像效果最好。

2.2 分析成像稳定性

为研究本文系统的成像稳定性，需对比三个教学系统成像稳定性，对比结果如图4所示。

从图4中可以看出，本文系统成像的稳定性显著优于两个对比系统，本文系统成像的稳定性最高可达98.7%，说明本文系统成像稳定性较好，更适合应用到实际的教学过程中。

2.3 成像教学系统抗噪性能分析

为研究本文系统的抗噪性能，需对比三个成像教学系统成像时间，为提升实验精准度，需进行多次实验，对比结果如表4所示。

从表4中可以看出，随着干扰信噪比的提升，不同成像教学系统的成像时间也逐渐提升。在干扰信噪比为13 dB时，本文教学系统成像时间最短为5.37 ms;在干扰信噪比为120 dB时，本文教学系统成像时间最长为5.92 ms;基于网络环境的成像教学系统成像时间最短为30.01 ms，基于Web的成像教学系统成像时间最短为17.63 ms，对比三个成像教学系统成像所用时间可知，本文系统成像所用时间最短，成像速率最快。

3 结论

本文设计基于平面波导传感器的强约束型微纳光子结构成像教学系统，在成像教学系统中充分利用平面波导传感器，实现成像教学系统中教学数据精准和快速传输，提升数据传输的灵敏度。用户能通过本文系统实现对系统中采用强约束型微纳光子结构设计的数字化图文数据库的更改，在图文数据库中添加图文、删除或者修改图文。实验结果表明，本文设计的成像教学系统成像效果好、抗噪性能优，可在实际的教学过程中采用本文系统进行成像教学。

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作者简介：刘冬冬（1981-），男，江苏徐州人，博士，副教授，研究方向为高等教育研究、表面等离子体光子学、微纳光子学。

王继成（1980-），男，江苏徐州人，博士，副教授，研究方向为高等教育研究、微纳光子学。